Wie Diabetes die Anfälligkeit für COVID-19 in der Niere verursacht: Neue Hinweise durch Organoide

EZu Beginn der Pandemie wurde Diabetes als Risikofaktor für eine schlechte Prognose bei Patienten mit der Coronavirus-Erkrankung 2019 (COVID-19) erkannt. Obwohl Diabetes das Risiko einer Infektion mit dem schweren akuten respiratorischen Syndrom Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) offenbar nicht zu erhöhen scheint, sind Personen mit Diabetes anfälliger für schweres COVID-19.1 Retrospektive Kohortenstudien mit hospitalisierten Patienten mit COVID-19 lieferten einen separaten Beweis dafürakute Nierenschädigungtritt häufig auf und ist mit einer erhöhten Krankenhaussterblichkeit bei Patienten mit COVID verbunden-19.2 Trotz der anerkannten Bedeutung von Diabetes undNierenbedingte KomorbiditätBei COVID-19 wurde die Aufklärung möglicher Mechanismen, einschließlich der Fähigkeit von SARS CoV-2, die Nieren zu infizieren, durch die begrenzte Verfügbarkeit von Nierengewebe von Patienten mit COVID-19 erschwertCOVID-19. Obwohl frühere Studien gezeigt haben, dass menschliche pluripotente Stammzellen (hPSC)–abgeleitete Nierenorganoide und Gefäßorganoide können direkt mit SARS-CoV infiziert werden-2,3 Jansen hat es erst kürzlich getanet al.liefern überzeugende Beweise dafür, dass SARS-CoV-2 im Virus vorhanden istNieren von Patientenmit COVID-19.4

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Es wurde zuvor gezeigt, dass menschliche Nierenorganoide ein geeignetes Modell für die Untersuchung der direkten Wechselwirkung zwischen SARS-CoV-2 und menschlichem Nierengewebe sind3,4; Allerdings haben etablierte Nieren-Organoid-Modelle die kritische Nierenpathophysiologie, die häufig bei Patienten mit Diabetes beobachtet wird, nicht rekapituliert. Um dieses Problem anzugehen und die Rolle einer direkten Niereninfektion durch SARS-CoV-2 bei der erhöhten Schwere der Erkrankung bei Patienten mit Diabetes zu untersuchen, haben Garreta et al. entwickelte eine neuartige Organoidkultur menschlicher Niere, die menschliches Nierengewebe nachahmt, das diabetischen Erkrankungen ausgesetzt war.5 Mithilfe dieser KulturOrganoidmodell der diabetischen NiereDie Autoren untersuchten die möglichen Mechanismen, die der erhöhten Schwere der Erkrankung bei Patienten mit COVID-19 und Diabetes zugrunde liegen.

Was hat die Studie ergeben?

Die Autoren verwendeten eine hochoszillierende Glukosebehandlung, um frühe diabetische Phänotypen in hPSC-abgeleiteten Nierenorganoiden zu stimulieren (Abbildung 1). Kontroll- und diabetische Nierenorganoide enthielten vergleichbare nephronähnliche Strukturen und exprimierten ähnliche Mengen an mRNAs von nephronsegmentspezifischen, endothelialen und stromalen Markergenen.5 Obwohl der diabetische Zustand die Zusammensetzung und Integrität der Basalmembranen nicht veränderte, kam es zu einer Ablagerung von extrazellulärem Matrixprotein war im tubulointerstitiellen Bereich in diabetischen Nierenorganoiden erhöht, was an Nierenfibrose bei diabetischer Nierenerkrankung (DKD) erinnert.5 Es ist bemerkenswert, dass das diabetische Milieu den Zellstoffwechsel über die Hochregulierung glykolytischer Gene, einschließlich Laktatdehydrogenase A (LDHA), veränderte und gleichzeitig die Mitochondrien-Biogenese-Gen PPARG-Koaktivator 1a (PGC1a).5 Dieses „metabolische Gedächtnis“ blieb in proximalen tubulären (PT) Epithelzellen erhalten, die aus diabetischen Nierenorganoiden isoliert wurden, auch nach Langzeitkultur. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen bei Nierenorganoiden zeigten humane proximale Tubuluszellen (HPTCs), die von Patienten mit Diabetes stammen, im Vergleich zu auch einen Anstieg der LDHA-mRNA-Spiegel und einen Rückgang der PGC1a-mRNA-Spiegel sowie eine erhöhte oxidative Phosphorylierung, Basalatmung und ATP-Synthese HPTCs stammen von Kontrollpatienten.5

Sowohl in Kontroll- als auch diabetischen Nierenorganoiden wurde die Expression des Angiotensin-Converting-Enzyms 2 (ACE2) hauptsächlich in PT-Epithelzellen nachgewiesen. Die oszillierende Glukosebehandlung steigerte die ACE2-Expression in diabetischen Nierenorganoiden deutlich, indem sie die ACE2-mRNA-Stabilität erhöhte.5 Der Anstieg der ACE2-Expression in diabetischen Nierenorganoiden war im Vergleich zu Kontrollorganoiden mit einer verstärkten Infektion durch SARS CoV-2 verbunden. Eine Einzelzell-RNA-Sequenzierungsanalyse von Kontroll- und diabetischen Nierenorganoiden mit SARS-CoV- 2-Infektion bestätigte außerdem, dass diabetische Nierenorganoide im Vergleich zu Kontrollorganoiden mehr Zellen enthielten, die virale RNA exprimierten.5 Ebenso exprimierten HPTCs, die von Patienten mit Diabetes stammten höhere ACE2-Spiegel als Kontroll-HPTCs, was zu einer erhöhten Anfälligkeit für eine SARS-CoV-2-Infektion führt.5 Entzündungsprozesse wurden durch eine SARS-CoV-2-Infektion sowohl in Kontroll- als auch in diabetischen Nierenorganoiden hochreguliert, was aktuelle Beobachtungen in der Gruppe bestätigt Nieren von Patienten mit COVID-19.4 Im Vergleich zu Kontrollorganoiden zeigten diabetische Nierenorganoide eine signifikantere Herunterregulierung der glykolytischen Wege und eine ausgeprägtere Hochregulierung von Entzündungen und diabetesbedingten Wegen bei einer SARS-CoV-2-Infektion.5

Um den Bedarf an ACE2 und anderen mutmaßlichen Rezeptoren für eine SARS-CoV-2-Infektion von Nierenepithelzellen zu untersuchen, verwendeten die Autoren CRISPR-Cas9-Genbearbeitungstools, um ACE2, Basigin (BSG) und Neuropilin 1 (NRP1) Knockout zu generieren hPSCs. Ein ACE2-Mangel führte zu einer vollständigen Abschaffung der SARS-CoV-2-Infektion in ACE2-Knockout-Nierenorganoiden sowohl unter kontrollierten als auch unter diabetischen Bedingungen, ohne die Entwicklung von Nierenstrukturen zu beeinträchtigen.5 Die Reexpression von ACE2 stellte die Anfälligkeit für eine SARS-CoV-2-Infektion wieder her . Weder BSG noch NRP1 waren für eine SARS-CoV-2-Infektion in Nierenorganoiden erforderlich, obwohl die BSG-Deletion die SARS-CoV-2-mRNA-Spiegel in BSG-Knockout-Nierenorganoiden reduzierte.5

Warum ist diese Studie wichtig?

Diese Studie entwickelte das erste Organoidmodell einer diabetischen Niere und bietet eine weitere potenzielle Plattform zur Untersuchung der Pathophysiologie von DKD. Tatsächlich zeigten diabetische Nierenorganoide einige wichtige pathologische Merkmale, die an Nieren unter diabetischen Bedingungen erinnern, wie etwa tubulointerstitielle Fibrose und eine Hochregulierung der ACE2-Expression, was wiederum zu einer erhöhten Anfälligkeit für SARS-CoV-2-Infektionen führte.5 Allerdings gibt es Einschränkungen der aktuellen Nierenorganoide machen es schwierig, viele Merkmale der DKD zu rekapitulieren, einschließlich Gefäßdefekten, mesangialer Ausdehnung und Verdickung der glomerulären Basalmembran.6 Die funktionelle Vaskularisierung von Nierenorganoiden, insbesondere die glomeruläre Vaskularisierung, wird die pathophysiologische Relevanz der diabetischen Niere erheblich verbessern Organoidmodell. Dieses Kunststück kann durch Organoid-Multiplexing mit vaskulären Organoiden3 mit der Unterstützung eines mikrofluidischen Geräts erreicht werden.

Diabetische Nierenorganoide zeigten metabolische Veränderungen auf transkriptomischer Ebene. Noch wichtiger ist, dass aus diabetischen Nierenorganoiden isolierte PT-Epithelzellen das metabolische Gedächtnis nach Absetzen der oszillierenden Glukosebehandlung behielten, ähnlich wie PT-Epithelzellen, die von Patienten mit Diabetes stammen. Diese Studie machte eine faszinierende Beobachtung, dass eine oszillierende Glukosebehandlung die PGC1a-Expression herunterregulierte, während sie die mitochondriale Atmung und die ATP-Produktion in Nierenorganoiden hochregulierte.7 Obwohl PGC1a in mehreren Diabetesmodellen, bei denen die Gluconeogenese erhöht ist, hochreguliert ist, zeigten neuere Studien eine renoprotektive Rolle von PGC1a über Verbesserung der Fettsäureoxidation.8 Nierenbiopsieproben von DKD-Patienten zeigten eine starke Verringerung der Transkriptionsregulatoren des Fettsäureoxidationswegs, wohingegen die meisten DKD-Mausmodelle weder Veränderungen der PGC1a-Spiegel zeigen noch eine progressive Nierenfibrose entwickeln.9 Menschliche Nierenorganoide können dies tun helfen, Diskrepanzen zu beseitigen, die durch Unterschiede zwischen den Spezies verursacht werden, und berücksichtigen gleichzeitig die Auswirkungen von Diabetes-Medikamenten, die menschlichen Patienten verschrieben werden. Zukünftige Studien könnten beispielsweise untersuchen, ob Natrium/Glukose-Cotransporter-2 (SGLT2)-Inhibitoren einige der pathologischen Phänotypen in diabetischen Nierenorganoiden lindern können.

Es muss noch geklärt werden, wie oft SARS-CoV-2 direkt die Nieren von COVID-19-Patienten infiziert und ob Diabetes COVID-19 gezielt durch eine ACE2-vermittelte Infektion verschlimmert. Jansen et al.4 entdeckten SARS-CoV-2 in allen Nierenproben von 62 Patienten mit COVID-19; In einer anderen Studie mit Nierenproben von 284 Patienten mit COVID-19 wurde jedoch nur in 3,7 % der Fälle SARS-CoV-2-Nukleokapsidprotein durch Immunhistochemie nachgewiesen.2 Einzelkern-RNA-Sequenzierungsanalyse von Nierenautopsiegewebe von einem Der Patient zeigte, dass fast alle der 14 identifizierten Zellcluster SARS-CoV-2 exprimierten.4 Interessanterweise waren nicht alle Zelltypen inNierenorganoideexprimierte SARS-CoV-2 bei einer Infektion. Obwohl Jansen et al.4 SARS-CoV-2 in PT-Zellen, Podozyten, der Henle-Schleife und einigen Stromazellen entdeckten, haben Garreta et al. zeigten eine vorherrschende PT-Expression von SARS-CoV-2.5 Einerseits könnten die beobachteten Unterschiede zwischen verschiedenen Nierenorganoidmodellen durch die unterschiedlichen Differenzierungsprotokolle und Virusinfektionsschemata erklärt werden, die in jeder der Studien verwendet wurden. Andererseits deuten Unterschiede zwischen Studien an Patientenproben und denen an Organoiden darauf hin, dass aktuelle Nieren-Organoid-Modelle die wechselseitige Interaktion zwischen SARS-CoV-2 und der menschlichen Niere in vivo möglicherweise nicht genau nachahmen, da es an funktionellen Kreislaufsystemen mangelt und Immunsysteme.

Ungeachtet dieser Einschränkungen bieten Organoidmodelle eine wertvolle Gelegenheit, die Wirksamkeit von Kandidatenverbindungen bei der Unterdrückung einer SARS-CoV-2-Infektion zu bewerten. Jansen et al.4 zeigten, dass die gleichzeitige Behandlung mit einem Proteaseinhibitor die SARS-CoV- 2-RNA-Spiegel in Nierenorganoiden wirksam unterdrückte, und Garreta et al.5 zeigten, dass die Vorbehandlung mit dem Pyruvatdehydrogenasekinase-Inhibitor DCA SARS-CoV{{7) reduzierte }} Infektion bei HPTCs, die von Patienten mit Diabetes stammen. Zukünftige Studien könnten das Organoidmodell der diabetischen Niere weiter verfeinern, um seine pathophysiologische Relevanz zu erhöhen und es zu einer vielseitigen Plattform für die Modellierung patientenspezifischer Krankheitsphänotypen, die Bewertung neuer Diabetes-Risikoorte und die Bewertung der Arzneimittelwirksamkeit zu machen

OFFENLEGUNG

Alle Autoren gaben an, keine konkurrierenden Interessen zu haben.DANKSAGUNGENYX wird vom Bildungsministerium Singapurs unterstützt(MOE2019-T2-1-072, MOE-T2EP30220-0008 undMOE-MOET32020-0004) und Nanyang TechnologicalUniversität.VERWEISE

1. Apicella M, Campopiano MC, Mantuano M, et al. COVID-19bei Menschen mit Diabetes: die Gründe verstehenfür schlechtere Ergebnisse.Lancet Diabetes Endocrinol. 2020;8: 782–792. 

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5. Garreta E, Prado P, Stanifer ML, et al. Ein Diabetikermilieuerhöht die ACE2-Expression und die zelluläre Anfälligkeit dafürSARS-CoV-2-Infektionen in menschlichen Nierenorganoiden undPatientenzellen.Zellmetabolismus. 2022;34:857–873.e9.

6. Thomas MC, Brownlee M, Susztak K, et al. DiabetikerNierenerkrankung.Nat Rev Dis Primer. 2015;1:15018.

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